液化天然气接收站蒸发气体再冷凝工艺的优化

书书书　第６０卷　第１１期　　化　工　学　报　　　　　　　Ｖｏｌ．６０　Ｎｏ．１１　２００９年１１月　　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文液化天然气接收站蒸发气体再冷凝工艺的优化杨志国，李亚军（华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室，广东广州５１０６４０）摘要：针对液化天然气（ＬＮＧ）接收站的蒸发气体（ＢＯＧ）再冷凝工艺系统能耗偏高的问题，对现有ＢＯＧ再冷凝系统进行了工艺流程优化。通过对ＢＯＧ压缩机入口温度、ＢＯＧ压比及物料比等影响ＢＯＧ再冷凝工艺能耗的主要运行参数的分析，提出了利用高压ＬＮＧ预冷增压后的ＢＯＧ，降低ＢＯＧ压缩机压比的工艺流程。优化后的ＢＯＧ再冷凝工艺较原工艺可节约ＢＯＧ压缩机能量消耗３２．５％，且优化后的流程改善了ＬＮＧ下游管网输气峰、谷负荷波动时的操作弹性，有较好的调峰功能。关键词：液化天然气；蒸发气体；再冷凝；工艺优化；压缩；能耗中图分类号：ＴＱ０２１．８　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）１１－２８７６－０６犗狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀狅犳犫狅犻犾狅犳犳犵犪狊狉犲犮狅狀犱犲狀狊犪狋犻狅狀狆狉狅犮犲狊狊犻狀犔犖犌狉犲犮犲犻狏犻狀犵狋犲狉犿犻狀犪犾犢犃犖犌犣犺犻犵狌狅，犔犐犢犪犼狌狀（犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犎犲犪狋犜狉犪狀狊犳犲狉犈狀犺犪狀犮犲犿犲狀狋犪狀犱犈狀犲狉犵狔犆狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀，犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犛狅狌狋犺犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犌狌犪狀犵狕犺狅狌５１０６４０，犌狌犪狀犵犱狅狀犵，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｂｏｉｌｏｆｆｇａｓ（ＢＯＧ）ｉｎＬＮＧ（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ）ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｓｏｆｔｗａｒｅＰＲＯ／Ⅱ８．０ａｉｍｉｎｇｔｏｒｅｄｕｃｅｉｔｓｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｋｅｙｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆＬＮＧ，ｔｈｅｍａｓｓｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅＢＯＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．Ａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｒｏｃｅｓｓ，ｎａｍｅｄｔｈｅｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇｏｆＢＯＧ，ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｓｕｂｃｏｏｌｅｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅＬＮＧｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｏｌｔｈｅＢＯＧｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｂｅｆｏｒｅｉｔｅｎｔｅｒｓｉｎｔｏｔｈｅｒｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒａｉｍｉｎｇａｔｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｒａｔｉｏｏｆＢＯＧｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ．ＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｒｏｃｅｓｓｃａｎｓａｖｅｔｈｅｗｏｒｋｏｆＢＯＧｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｎ３２．５％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｗｈｅｎｔｈｅｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｓｙｓｔｅｍｏｆｇａｓｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｐｐｅａｒｓｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｉｎｇａｓｌｏａｄｂｅｔｗｅｅｎｐｅａｋａｎｄｖａｌｌｅｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｐｅａｋｖａｌｌｅｙａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＬＮＧ；ｂｏｉｌｏｆｆｇａｓ；ｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｒｅｓｓ；ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　　２００９－０３－２０收到初稿，２００９－０８－２５收到修改稿。联系人：李亚军。第一作者：杨志国（１９８２—），男，硕士研究生。　引　言加快发展进口液化天然气（ＬＮＧ）是目前我国优化能源结构、改善环境和提高能效的最有力的措施。根据国家的能源规划，２０２０年天然气在一次能源中的比率达到１２％，我国将在长三角、环　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－０３－２０．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＬＩＹａｊｕｎ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，[e-mail]　渤海地区、泛珠三角地区建设约１０个ＬＮＧ接收站，到２０２０年形成年进口５０００万吨以上规模的ＬＮＧ接收设施［１］。由于ＬＮＧ在常压下温度低至－１６０．０℃，其特殊的储存条件，在接收站储存时漏热便不可避免，即ＬＮＧ在储存中会产生大量的蒸发气体（ｂｏｉｌｏｆｆｇａｓ，ＢＯＧ），一般地上储罐日蒸发量≤０．０５％（质量）；同时除储罐漏热产生ＢＯＧ外，在ＬＮＧ船卸货期间也会产生大量的ＢＯＧ。目前，工程上对ＢＯＧ的处理主要有两种工艺流程：直接压缩工艺和再冷凝工艺［２３］。对于气源型接收站，由于采用７．０～９．０ＭＰａ高压外送管网［４］，故普遍采用再冷凝工艺。目前的再冷凝工艺大都为压缩后的ＢＯＧ和ＬＮＧ直接进行换热，利用ＬＮＧ的冷能将压缩后的ＢＯＧ再冷凝［５７］。该工艺存在ＢＯＧ压缩功耗大，管网输气负荷波动时工艺操作困难等方面的不足。本文以某一运行的ＬＮＧ接收站为研究对象，在分析其现有ＢＯＧ再冷凝工艺流程运行的基础上，对其流程进行优化，以降低工艺过程的能耗，改善工艺操作弹性，提高能源利用率。１　现有ＢＯＧ再冷凝工艺流程某接收站接收船运进口的ＬＮＧ，其组成如表１所示。ＬＮＧ通过卸料臂卸载到ＬＮＧ储罐，储罐为两个存量１．６×１０５ｍ３的全容式混凝土低温常压储罐，操作压力为０．１１５ＭＰａ，每个储罐储货总量为１４７５２０ｔ，液货日蒸发量小于０．０５％（质量）。该接收站ＢＯＧ再冷凝工艺流程如图１所示，储罐（Ｖ１）中的ＬＮＧ经第一级泵（Ｐ１）压缩过冷后分成两股，一股去再冷凝器（Ｒ１）上部冷凝ＢＯＧ，一股去再冷凝器下部与冷凝液混合。储罐产生的ＢＯＧ和在卸货过程中产生的ＢＯＧ，先在分离器（Ｖ２）中缓存并分离凝液，气相进入ＢＯＧ压缩机（Ｃ１）增压，目前在正常操作条件下，每小时约产生ＢＯＧ６．７ｔ。增压后的ＢＯＧ在再冷凝器中和经过第一级泵增压到相同压力的过冷ＬＮＧ混合换热并全部冷凝，之后与再冷凝器下部的ＬＮＧ混合，经表１　犔犖犌组成犜犪犫犾犲１　犆狅犿狆狅狀犲狀狋狅犳犔犖犌ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＣｏｎｔｅｎｔ／％（ｍｏｌｅ）Ｃ１８８．７７４Ｃ２７．５４２Ｃ３２．５８８犻Ｃ４０．４５４狀Ｃ４０．５６２犻Ｃ５０．００４Ｎ２０．０７４图１　现有ＢＯＧ再冷凝工艺流程Ｆｉｇ．１　ＥｘｉｓｔｉｎｇｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＢＯＧＡ１—ＢＯＧｒｅｆｌｕｘｈａｎｄｉｎｇａｒｍ；Ａ２—ＬＮＧｈａｎｄｉｎｇａｒｍ；Ｂ１—ＬＮＧｃａｒｒｉｅｒ；Ｃ１—ＢＯＧｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；Ｐ１—ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅｐｕｍｐ；Ｐ２—ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｓｔａｇｅｐｕｍｐ；Ｒ１—ｒｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；Ｔ１—ｔｏｒｃｈ；Ｖ１—ＬＮＧｓｔｏｒａｇｅ；Ｖ２—ｓｅｐａｒａｔｏｒ；ＸＨ１—ｖａｐｏｒｉｚｅｒ　第二级泵（Ｐ２）增加至管网压力９．０ＭＰａ后进汽化器（ＸＨ１）气化，然后输送至管网［８］。从上述流程可以看出，ＢＯＧ再冷凝工艺主要设备是ＢＯＧ压缩机及再冷凝器，主要工艺参数是压缩机的压比及完全将ＢＯＧ再冷凝的ＬＮＧ用量。本文采用专业流程模拟软件ＰＲＯ／Ⅱ８．０对现有ＢＯＧ再冷凝工艺进行流程模拟，热力学方法采用ＳＲＫ（ＳｏａｖｅＲｅｄｉｃｈＫｗｏｎｇ）［９］，液体密度采用ＳＲＫＳＩＭＳＣＩ，焓熵计算采用ＬＫＰ（ＬｅｅＫｅｓｌｅｒＰｌｏｃｋｅｒ）［１０］。由于气化产生的ＢＯＧ的组成很难准确分析，因此本文以ＬＮＧ组成及ＬＮＧ液货罐的操作条件为基础，根据物料平衡、热量平衡和相平衡，通过模拟计算ＢＯＧ组成［１１］。在流程模拟中压缩机和泵的效率按７５％（现场实际操作提供数据）计算［１２］，这与工程实际相吻合。表２为现有ＢＯＧ再冷凝工艺流程的主要运行参数，其中用来冷凝ＢＯＧ的ＬＮＧ与ＢＯＧ的质量比为９．２。表２　现有犅犗犌再冷凝工艺的主要运行参数犜犪犫犾犲２　犕犪犻狀狆狉狅犮犲狊狊狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳犲狓犻狊狋犻狀犵狉犲犮狅狀犱犲狀狊犪狋犻狅狀狆狉狅犮犲狊狊狅犳犅犗犌ＳｔｒｅａｍＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａＦｌｏｗｒａｔｅ／ｔ·ｈ－１ＢＯＧＳ２－１３７．００．１１５６．７ＢＯＧＳ３－１３３．００．１１５６．７ＢＯＧＳ４－１．４１．１００６．７ＬＮＧＳ６－１５８．３１．１００６１．６Ｓ９－１４５．１９．０００１８０．０·７７８２·　第１１期　　杨志国等：液化天然气接收站蒸发气体再冷凝工艺的优化２　影响ＢＯＧ再冷凝工艺的主要操作参数分析２１　输气负荷波动对压比和物料比的影响由于天然气用户的用气量波动频繁，不同时段和季节的变化量相当大，故ＬＮＧ的气化要根据下游管网输气的峰、谷负荷来确定。图２为某接收站２００７年每天的ＬＮＧ输出量累计。从图中可看出，接收站在输送高峰时期达到日输气量１３５００ｔ，合每小时５６２．５ｔ，在输送低谷时期，每天输气量只有１１８４．５ｔ，每小时只有４９ｔ。在气化负荷较低时，ＬＮＧ输出量较少，用来冷凝ＢＯＧ的ＬＮＧ量就会比较少。为了保证ＢＯＧ被完全冷凝，ＢＯＧ需被增压至较高压力，导致压缩机功耗较大；且随着下游用气负荷的波动，ＬＮＧ输出量随之变化，ＢＯＧ压缩机出口压力也要变化，一般为１．１００～１．４００ＭＰａ。当有突发事件导致产生过多ＢＯＧ而使再冷凝装置无法处理时，送火炬（Ｔ１）燃烧。图２　ＬＮＧ输出量随时间的变化Ｆｉｇ．２　ＣｈａｎｇｅｏｆｏｕｔｐｕｔｏｆＬＮＧｗｉｔｈｔｉｍｅ　由于影响ＢＯＧ再冷凝工艺的主要因素是ＢＯＧ压缩机的压比及完全将ＢＯＧ再冷凝的ＬＮＧ的用量，建立了ＢＯＧ再冷凝工艺流程模型［１３］，分别对ＢＯＧ从操作压力０．１１５ＭＰａ压缩至１．１００～１．４００ＭＰａ进行全流程模拟，结果见表３。取现场实际工艺中ＢＯＧ进压缩机的温度为－１３３．０℃，其中物料比为达到ＢＯＧ全部再液化所需要的最小的ＬＮＧ与ＢＯＧ的质量比。从表３可以看出，随着压比的增大，所需最小物料比减小，这是因为ＢＯＧ的压力增大，其露点温度升高，较易液化，将ＢＯＧ再液化所需要的ＬＮＧ冷量越少，故ＬＮＧ用量也减少。但同时可以看出输出压力增大，压缩机功耗随之增加，导致工艺能耗增加。故在能完全将ＢＯＧ再冷凝的工艺条件下，应在操作上尽可能降低压比，从而降低ＢＯＧ压缩机功耗。但压比的降低会使物料比增大，在输气负荷低谷时，将给操作带来一定困难。２２　犅犗犌温度对物料比的影响从表３还可以看出，－１３３．０℃的ＢＯＧ进压缩机，经过增压之后温度升高至０℃以上，而ＢＯＧ再冷凝之后的温度又降低到－１３０℃左右，因此ＬＮＧ不仅要为ＢＯＧ从气态到液态的相变过程提供冷量，而且还要为其压缩后降温过程提供冷量。如果在ＢＯＧ进再冷凝器之前将其降温，那么就可以减少ＬＮＧ来为其提供冷量，即可降低物料比，这对于缓解输气负荷波动时导致的压比和物料比之间的矛盾尤为重要。图３为不同ＢＯＧ压缩机出口压力下（压缩机入口压力为０．１１５ＭＰａ），再冷凝器的最小物料比随进入再冷凝器ＢＯＧ的温度不同的变化曲线。从图中可以看出，物料比和ＢＯＧ温度呈简单的线性关系，ＢＯＧ进再冷凝器的温度越低所需物料比越小。因为ＢＯＧ的温度越低，ＬＮＧ需要为ＢＯＧ降温提供的冷量就越少，其极限情况是ＢＯＧ温度在露点时进入再冷凝器，这样ＬＮＧ只需为ＢＯＧ的相变提供冷量而无须再为其降温提供冷量，此时的物料比最小。所以，为了弥补降低压比而导致物料比的增加，应尽量降低ＢＯＧ进再冷凝器的温度，从而保证物料比不随压比的降低而增大，因此可以在物料比不变或变化不大的情况下降低压比，从而达到降低压缩机功耗的目的。表３　犅犗犌压比与物料比的关系犜犪犫犾犲３　犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犮狅犿狆狉犲狊狊犻狅狀狉犪狋犻狅狅犳犅犗犌犮狅犿狆狉犲狊狊狅狉犪狀犱犿犪狊狊狉犪狋犻狅Ｏｕｔｌｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａ